Жарықтың комбинациялық шашырауы (Раман эффектісі)

Егер затқа (газ, сұйық, мөлдір кристалл) тек жиілікті монохроматты жарық ғана түсетін, онда шашыраған жарықтың спектрінде сәулелену кезінде жиілікпен бірге жиілікті қосымша сызықтар байқалады, мұндағы -шашыраған молекулалардың немесе тербелмелі ауысуларының жиілігі.

жиілікті комбинациялық шашыраудың берілетін жарықтың

жиілігінен кіші болатын спектрдегі сызық стокстық (немесе қызыл) спутник деп аталады.

-ден үлкен жиілікті сызық антистоксты (немесе күлгін) спутник деп аталады

Рааман эффектісінің квантомеханикалық түсінігі: жарықтың комбинациялық шашырауында молекуламен бір фотон шығарылатын және бір фотон жұтылатын молекулалардың фотонмен серпімсіз «соқтығысу» процесі бар.

Егер фотондар энергиясы бірдей болатын болса, онда жарықтың шашырауында ығыспаған сызықтар бақыланады.

Егер молекула жарықтың әсерінен қозған күйге өтетін болса, онда шығарылатын фотон аз жиілікке ие болады – стокстық (қызыл) спутник пайда болады.

Егер молекула қозған күйден негізгі күйге өтетін болса, онда шығарылатын фотон үлкен жиілікке ие болады – антистокстық (күлгін) спутник пайда болады. Күлгін спутниктің интенсивтілігі температурамен бірге өседі, ал қызылдары мүлдем өзгермейді.

Жұтылу. Спонтандық және еріксіз сәулелену.

E₁ және E₂ энергиялы екі кванттық күйді қарастырайық.

1. Жұтылу. Егер атом негізгі күй 1-де жататын болса, онда сыртқы сәулеленудің әсерінен сәулеленудің жұтылуына алып келетін, қозған 2 күйде еріксіз ауысуы орындалуы мүмкін.

2. Спонтанты сәулелену. Атом қозған 2 күйінде тұрып, энергиялы фотон шығара отырып, спонтантты (сыртқы әсерсіз) негізгі күйге өтуі мүмкін. Сыртқы әсерсіз қозған атомдардың фотон шығару процесі спонтантты сәулелену деп аталады. Спонтантты ауысу ықтималдығы көп болған сайын, қозған күйдегі атомның орташа өмір сүру уақыты аз болады. Спонтантты ауысулар өзара байланыспағандықтан, онда спонтантты сәулелену когерентті емес.

3. Еріксіз сәулелену. А. Эйнштейн зат және онымен шығарылатын және

жұтылатын сәулеленудің термодинамикалық тепе-теңдік әдісіндегі бақыланатынын түсіндіру үшін жұтылу мен спонтантты сәулеленуден басқа үшінші, арақатынастың сапалы басқа түрінің бар болуы қажет екенін тұжырымдады. Қозған күйде жататын атомға шартын қанағаттандыратын жиіліктік сыртқы сәулелену әсер ететін болса, онда ауысудың болу әсерінен сол фотон қосымша дәл сол энергиялы фотонның сәулеленуінен негізгі 1 күйге еріксіз (индуцирленген) ауысуы пайда болады. Сондықтан, еріксіз сәулеленудің процесінде екі фотон қатысты: қозған атомнан сәулеленуді тудыратын (себепші болатын) бастапқы фотон және атомнан шығарылған екінші фотон.

Бірдей еріксіз болатын (бастапқы фотон) еріксіз сәулел ену (екінші фотон): ол дәл сол жиілікке, фазаға, поляризациясына, таралу бағытына ие болады.

Осыдан, еріксіз сәулелену еріксіз болдыратын сәулеленуге қатаң когерентті, яғни шығарылған фотонның атомға берілетін фотоннан айырмашылығы жоқ.

Шығарылған фотондар бір бағытта қозғала отырып және қозған атомдарды кездестіріп, еріксіз ауысуына себепші болады: фотондардың көбеюі өтеді (болады).

Сәулеленудің күшеюі болуы үшін, еріксіз сәулеленудің интенсивтілігі фотондардың жұтылу интенсивтілігін жоғарылатуы қажет. Ал осы үшін қозған күйдің орналасу тығыздығы (қозған күйдегі атомдар саны) негізгі күйдің орналасу тығыздығынан үлкен болуы қажет.

Күйдің осындай термодинамикалық тепе-теңсіздік күйі инверсиалды орналасу тығыздықты күй деп аталады.

Жүйені инверсиалды орналасу тығыздықты күйге айналдыру процесі толтыру (оптикалық электрлік және басқа әдіспен орындалатын) деп аталады.

Жарық шоқтарымен күшейіп берілетін инверсті орта активті (белсенді) орта деп аталады. Осындай орта үшін Бугер заңы жұтылудың теріс коэффициентіне ие болады.

Лазерлер.

Активті ортаға сәулеленудің күшею эффектісі оптикалық кванттық генераторларда немесе лазерлерде (Ligth Amplification of Stimulated Emission of Radiation -LASER) қолданылады.

Лазерлер

- активті ортаның типі бойынша (қатты денелі, газдық, жартылайөткізгішті және сұйықты);

- толтыру әдісі бойынша (оптикалық, жылулық, химиялық, электроионизационды және т.б);

- генерация режіміне байланысты (үздіксіз немесе импульстік әсер) бөлінеді.

Бірінші қатты денелік лазер – рубинді (сәулеленудің толқын ұзындығы 0.6943нм) үшдеңгейлі схема бойынша жұмыс істейді, рубиннің кристалын

толтыруы ( қоспасы бар ) хром атомын қозған 3 аз өмір сүретін күйге () айналдырады, сәулеленбейтін өтуде көп өмір сүретін (мегаорнықты) күйге 2 ауысудың 2 деңгейінде – «жыйнақталуы» болады.

Толтырудың жеткілікті қуаты кезінде 2 деңгейіндегі олардың концентрациясы 1 деңгейдегіге қарағанда әлдеқайда көп, яғни 2 деңгейдің инверсиалды орналасу тығыздығы пайда болады (берілген жүйедегі спонтанты өту мағынасыз).

спонтанты өту кезінде кездейсоқ туатын әрбір фотон, активті ортадағы екінші фотонның көшкінін тудыруы мүмкін.

Лазерлік генерацияның қайта-қайта күшейту үшін оптикалық резанатор қолданылады – қарапайым жағдайда – арасында активті орта (кристалл

немесе газ толтырылған кювета) орналасатын ортақ оптикалық осьтегі параллельді айналардың бір-біріне қаратылған жұбы. Кристалл немесе кювет осінің бұрышы бойынша қозғалатын В және С фотондары бүйір жақ беті арқылы өтеді. Оптикалық ось бойымен қозғалатын А фотоны айнадан қайта-қайта шашырағаннан және активті ортадағы күшеюден кейін, когерентті фотондағы жарықты шоқпен бағытталғанын қатаң жасай отырып, жартылаймөлдірлі айна арқылы шығады.

Лазерлік сәулеленудің қасиеті:

1. Уақыттық және кеңістіктік когеренттілік.. жарықтың қарапайым көзіне қарағанда, жеті есе көп болатын когеренттілік ұзындығына тең м сәйкес келетін когеренттілік уақыты с.

2. Қатаң монохроматтылық ( м).

3. Энергия ағынының үлкен тығыздығы (сипаттық шамасы Вт/м²).

4. Шоқтың өте кішкентай бұрышпен таралуы (10⁴ есе традиционды оптикалық жарықталған жүйеге қарағанда, мысалы прожекторда).